Предельные эксплуатационные параметры.



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Предельные эксплуатационные параметры.



Параметры транзисторов

 

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

 

Электрические параметры:

1. Граничная частота, fГР;

2. Коэффициент передачи тока, KI;

3. Обратные токи переходов при заданных обратных напряжениях, IKO;

4. Емкости переходов, Сi-j;

и т.д.

 

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

 

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные напряжения на переходах. Uобр макс;

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, Pк макс;

3. Максимально допустимая температура корпуса, toмакс корп;

4. Диапазон рабочих температур, toмин, toмакс.

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от полярности на­пряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

- активный;

- отсечки;

- насыще­ния;

- инверсный.

 

Режимы насыщения и отсечки объединяют одним термином – ключевой режим.

 

Активный режимработы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное - на коллекторный.

В режиме отсечкиоба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщенияоба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется редко),эмиттерный переход смещен в обратном направле­нии, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстро­действующих ключевых схемах.

 

 

 

режим полярность
активный + - + -
отсечки - + + -
насыщения + - - +
инверсный - + - +

 

Рис. 9.1 Полярности напряжений на электродах транзистора при различных режимах работы

 

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область ба­зы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Ек и Еэ будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.

Усилительные свойства транзистора

Усилительные свойства транзистора рассмотрим на примере схемы включения транзистора с общей базой, рис .9.2

 

Рис.9.2

 

На вход транзистора, относительно перехода база-эмиттер, подаются два напряжения: постоянное напряжение смещения ЕЭ и переменное напряжение подлежащее усилению Uвх, причем

 

Uвх<< ЕЭ (9.1)

 

Соотношение источников питания ЕК и смещения ЕЭ:

 

ЕЭ < ЕК. (9.2)

 

В коллекторную цепь транзистора включа­ется сопротивление нагрузки RH.

Т.к. выходное со­противление транзистора (транзистор, со стороны коллек­торного перехода является источником тока, его внутреннее сопротивление велико,1-10 МОм), то можно в цепь коллектора включать большие по номиналу сопротивления нагрузки, почти не влияя на величину коллекторного тока (RH - единицы и десятки килоом).

 

Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность (переменной составляющей)

 

Pвых~=1/2Iк2Rн (9.3)

 

Входное сопротивление схемы, напротив, весьма ма­ло (прямо смещенного эмиттерного перехода, единицы - десятки Ом). Соответственно

 

Rн >> Rвх, (9.4)

 

Поэтому при почти одинаковых токах коллектора и эмиттера Iк ~ Iэ , (включение транзистора в схеме с общей базой) мощность, потребляемая в цепи эмиттера

 

Pвх~=1/2Iэ2Rвх (9.5)

 

оказывается несравненно меньше, чем выделяе­мая в цепи нагрузки.

 

Pвых/ Pвх ~ Rн / Rвх (9.6а)

 

Из (9.6) и (9.4) видно, что

 

Pвых>> Pвх (9.6б)

 

!!! Т.о транзистор способен усиливать мощность, т.е. он являет­ся усилительным прибором.

 

Полевые транзисторы

Полевой транзисторполупроводниковый прибор, ток которого изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным напряжением.

 

Полевые транзисторы (ПТ) в отличие от биполярных (БТ) ряд специфических особенностей:

- высокое входное сопротивление;

- малое потребление энергии по цепи управления

ПТ нашли широкое применение и как дискретные элементы схем, также они ши­роко используются в интегральных микросхемах (ИМС). Это объясняется простотой изготовления (в настоящее время) ПТ ИМС, по сравнению с БТ, малым потреблением энергии и высокой плотностью расположения элементов в ИМС.

 

 

С изолированным

Затвором (МОП, МДП)

P-n переходом

Конструкция

Схематическое устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом представлено на рис. 9.4

 

 

Рис. 9.4 Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой монокристалл полупроводника n-типа проводимости.

 

По торцам кристалла методом напыления сформированы электроды, а посередине, с двух сторон, созданы две области p-типа проводимости также с электрическими выводами от этих областей, соединенные между собой (возможны и другие варианты структуры, например – цилиндрическая с кольцевым затвором).

 

На границе раздела областей с различным типом проводимости возникнет

р-nпереход.

 

ПТ содержит три полупроводниковые области: две одного и того же типа проводи­мости, называемые соответственно истоком (И) истоком (С), и противоположной им типа проводимости, называемойзатвором (З).

Область между стоком и истоком называется каналом.

 

К каждой из областей (стоку, истоку и затвору) присоединены соответствую­щие выводы (невыпрямляющие контакты, омические).

 

В транзисторе используется движение носителей заряда одного знака (ос­новных носителей), которые, ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМОГО ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ (Uси), движутся из истока через канал в сток.

 

Этим объ­ясняются названия: исток- область, из которой выходят носители заряда, и сток - область, в которую они входят.

 

p-n переход при нормальном режиме работы транзистора должен быть обратносмещенным.

 

Физика работы

Действие прибора основано на зависимости толщины p-n перехода в зависимости от

приложенного к нему напряжения.

 

Источник напряжения Uсоздает отрицательное напряжение на затворе (относительно истока), p-n переход находится в запертом состоянии и почти полностью лишен подвижных носителей заряда, его проводимость практически равна нулю.

 

Увеличение запирающего напряжение на затворе приводит к увеличению ширины перехода (области обедненной носителями заряда) и соответственно к уменьшению сечения проводящего канала.

 

Если подключить к каналу источник питания UИСмежду стоком и истоком (невыпрямляющими контактами), то через кристалл полупро­водника потечет ток.

 

С уменьшением или увеличением напряжения на затворе(U, Uна рис.9.4) уменьшается или увеличивается ширина p-n перехода, вследствие этого изменяется сечение канала которое зависит от толщины р-n перехода т.е. изменяется сопротивление канала и в результате изменяется величина тока стока IС.

Таким образом, изменением напряжения на затворе, можно управлять 1С.

 

Носители в канале движутся от истока к стоку под действием продольного электрического поля(направленного вдоль канала), создаваемого напряжением меду стоком и истоком.

 

Основным процессом переноса носителей заряда, образующим ток полевого транзистора, является дрейф основных носителей в электрическом поле.

 

Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения между затво­ром и истоком, направлено перпендикулярно дви­жению носителей в канале и при этом говорят, что ток транзистора управляется поперечным электрическим полем.

 

Можно подобрать такое отрицательное напряжение на затворе, при котором произойдет полное перекрытие канала.

При полностью перекрытом канале ток канала IC обращается в нуль, а в це­пи стока течет лишь малый остаточный ток (или ток отсечки) IСО.

Он состоит из обратного тока p-n перехода I0 и тока утечки Iу, протекающего по поверх­ности кристалла. Т.к. Iу « I0, то Iсо ~ I0 .

 

!!! Полевой транзистор в отличие от биполярного иногда называют униполярным, т. к. его работа основана только токах основных носителях заряда либо электронов, либо дырок (зависит от типа канала).

Вследствие этого в полевом транзисторе отсутствуют процессы накопления и рассасывания объемного заряда неосновных носителей, оказывающих заметное влияние на быстродействие биполярного транзистора.

 

 

Модуляция ширины канала

 

 
 

В рабочем режиме по каналу протекает ток IС, поэтому потенциалы раз­личных поперечных сечений оказываются неодинаковыми, рис.9.5 (для примера показан транзистор с каналом p- типа, напряжение на затворе – положительное, а на стоке - отрицательное).

 

Рис. 9.5Модуляция ширины p- канала

 

ПотенциалUCх, распре­деленный вдоль канала, меняется от 0(у земляного вывода) у истока до UCу стока.

Оба напряженияUЗИ(положительное) иUCх(отрицательное)являются запирающими для p-n перехода.

Наибольшим будет сечение канала возле истока, где напряжение на переходе Upn = U, и наименьшим возле стока, где Upn = UЗИ - Uc.

Если увеличивать напряжение на стоке Uc,то увеличение IС, начиная с некоторого

значения Uc, прекратиться, т.к. сужение канала будет увеличивать его сопро­тивление и увеличения тока, несмотря на увеличение напряжения, происходить не будет. Этот процесс называется насыщением.

При относительно большом напряжении Uc, когда UСИ + U > Upn допуст, в сто­ковом участке обратно включенного управляющего p-n перехода возникает электрический лавинный пробой и IС резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора.

 

Условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n переходом:

 

 

Рис. 9.6 Условные обозначения полевого транзистора, имеющего канал n-типа (а) и

p-типа (б). Стрелка в выводе затвора указывает направление прямого тока через р-n переход

 

Схемы включения транзистора

Транзистор может быть включен в усилительный каскад тремя различ­ными способами: по схеме с общей базой (ОБ), сообщим эмиттером (ОЭ), и с общим коллектором (ОК).

Такая терминология указывает, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепей. Различные схемы включения имеют различные свойства, но принцип усиления у них одинаков.

Схема с ОБ

Эта схема (рис.1) рассматривалась нами выше для поясне­ния принципа работы транзистора.

Входной сигнал прикладывается к выводам эмит­тера и базы, а источник питания UKи нагрузка RHвключены между выводами коллектора и базы. Усилительный каскад, собранный по схеме с ОБ обладает малым входным сопротивлением (единицы Ом) и большим выходным сопротивлением (1-10 МОм).

Рис.1 схема с ОБ

 

При отсутствии переменного входного сигнала (UВХ =0) через транзистортекут токи покоя-Iоэ, Iок, т.к базо-эмиттерный переход открыт напряжением смещения Есм, на делителе напряжения Rб1 и Rб2 (статический режим работы)

При подаче на вход транзистора последовательно с напряжением Eсм переменного входного напряжения Uвx ток Iэ становится также переменным, повторяющим по форме входное напряжение.

При этом будет изменяться количество электронов вводимых из эмиттера в базу (для транзистора n-p-n), а следовательно, и ток коллектора 1К в цепи коллектора .

Этот ток, проходя по сопротив­лению нагрузки RH, создает на нем переменное напряжение, также повторяющее по форме входной сигнал .

Переменная составляющая выходного на­пряжения UH отделяется с помощью конденсатора С от постоянной состав­ляющей и подается на выход усилителя (переменное напряжение Uвых).

В схеме с ОБ полярности входного и выходного сигналов совпадают.

Схема с ОК

В схеме с ОК (рис.2)входным током является Iб, авы­ходным током, протекающим по нагрузке – IЭ.

 

Рис.2 Схема с ОК

 

В отличие от схемы с ОБ, схема с ОК усиливает сигнал по току.

Коэффициент усиления по току (в системе h-параметров - h21к) для этой схемы равен:

 

КI =DIэ/DIб =DIэ/(DIэ-DIк)=1/(1-DIк/DIэ)=1/(1-a) > 10 (1)

 

Входное сопротивление Rвх схемы с ОК очень велико (десятки - сотни кОм),

а выходное Rвых - мало (десятки - сотни Ом)

 

Коэффициент усиления по напряжению Ки < 1 (0,9 - 0,95);

Коэффициент усиления по мощности КРпорядка 10-100.

 

Схема применяется в основном для согласования сопротивлений между отдель­ными каскадами усилителя или между выхо­дом усилителя и низкоомной нагрузкой.

Схема с ОК не изменяет полярности выход­ного сигнала.

Схема с ОЭ

Наиболее распространенная схема включения БТ (рис.3).

Входной сигнал прикладывается к выводам эмиттера и базы, а источник пита­ния коллектора, и последовательно соединенное с ним RH, включены между выводами эмиттера и коллектора.

Таким образом, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

 

 

 

Рис.3 Схема с ОЭ

 

Особенностью схемы с ОЭ является то, что вход­ным током является IБ. Поэтому входное сопро­тивление каскада с ОЭ R6X значительно выше, чем входное сопротивление каскада с ОБ, и составляет сотни Ом.

Выходное сопротивление RВЫХ в схеме с ОЭ также доста­точно велико - десятки кОм.

Важнейшим достоинством схемы с ОЭ является большое усиление по току (10-100):

КI = DIк/DIб (2)

Обычно КI обозначают буквой b(в системе h- параметров - h21Э).

 

b=DIк/DIБ=DIк/(DIЭ-DIк)=1/(DIЭ/DIК)-1 (3)

 

помня, что a =DIК/DIЭ

b =a/1-a (4)

Коэффициент усиления по напряжению для схемы с ОЭ имеет приблизительно такую же величину, как и в схеме ОБ

 

DUвых= DIK Rн

KU= DIK Rн/ DUВХ (5)

 

Чем больше коэффициент a, тем ближе по своей величине 1К к и выше усиление по напряжению. Коэффициент усиления по мощности для схемы с ОЭ равен:

 

KP = KI KU = b KU (6)

 

оказывается значительно выше, чем для схемы с ОБ и может достигать величи­ны нескольких тысяч (до 10000).

Выходной сигнал схемы с ОЭ имеет противоположную полярность по отноше­нию к входному.

Входная характеристика

Зависимость IБ = f(UБ) при UK = const.Ее называют еще базовой

характеристикой (рис.4).

Рис.4 Входная статичкеская характеристика, схемы с ОЭ

 

С ростом напряжения UK ток IБ уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении UK растет на­пряжение, приложенное к коллек­торному переходу в обратном на­правлении, уменьшается вероятность рекомбинации носителей в базе, т.к. почти все носители быстро втягива­ются в коллектор.

Выходная характеристика

Зависимость Iк = f() при Iб = const (рис.5)

 

Рис.5 Выходная характеристика, схемы с ОЭ

 

Напряжение, приложенное к коллекторному переходу равно UКЭ - UБЭ, т.к. эти напряжения, включенные между точками коллектор - база оказались включенны­ми встречно (рис.6).

Поэтому при UKЭ <UБЭ напряжение на коллекторном переходе оказывается включенным в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна выходных характеристик на начальном участке от Uкэ = 0 до UKЭ = UБЭ велика и зависимость тока от напряжения на коллекторе практически линейная.

На участке UKЭ >UБЭ крутизна характеристик уменьшается, они идут почти параллельно оси абсцисс. Положение каждой из выход­ных характеристик зависит, главным образом, от IБ.

 

Рис.6

Параметры транзисторов

 

Параметры транзисторов делятся на электрические и предельные эксплуатационные.

 

Электрические параметры:

1. Граничная частота, fГР;

2. Коэффициент передачи тока, KI;

3. Обратные токи переходов при заданных обратных напряжениях, IKO;

4. Емкости переходов, Сi-j;

и т.д.

 

Кроме общих электрических параметров в зависимости от назначения

транзистора указывается ряд специфических параметров, присущих данной категории транзисторов.

Предельные эксплуатационные параметры.

Предельные эксплуатационные параметры - это максимально допустимые значения напряжений, токов, мощности, температуры, при которых гарантируются работоспособность транзистора и значений его электрических параметров в пределах норм технических условий.

 

Например, к предельным эксплуатационным параметрам относятся:

1. Максимально допустимые обратные напряжения на переходах. Uобр макс;

2. Максимально допустимая рассеиваемая мощность, Pк макс;

3. Максимально допустимая температура корпуса, toмакс корп;

4. Диапазон рабочих температур, toмин, toмакс.

Режимы работы транзистора

 

В зависимости от полярности на­пряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны четыре режима его работы:

- активный;

- отсечки;

- насыще­ния;

- инверсный.

 

Режимы насыщения и отсечки объединяют одним термином – ключевой режим.

 

Активный режимработы используется при усиле­нии малых сигналов, прямое напряжение подается на эмиттерный переход, а обрат­ное - на коллекторный.

В режиме отсечкиоба перехода смеща­ются в обратном направлении. Ток тран­зистора в этом режиме мал, он практиче­ски заперт (транзистор заперт).

В режиме насыщенияоба перехода смещаются в прямом направлении, через транзистор протекает максимальный ток, он полностью открыт (транзистор открыт).

В инверсном режиме (используется редко),эмиттерный переход смещен в обратном направле­нии, а коллекторный в прямом. Этот режим чаще всего используют в быстро­действующих ключевых схемах.

 

 

 

режим полярность
активный + - + -
отсечки - + + -
насыщения + - - +
инверсный - + - +

 

Рис. 9.1 Полярности напряжений на электродах транзистора при различных режимах работы

 

Принцип действия транзисторов типа n-p-n такой же, только в область ба­зы вводятся из эмиттера не дырки, а электроны; полярность напряжений Ек и Еэ будет противоположной случаю p-n-р; направления токов из­менится на противоположное, т.к. они обусловлены в данном случае не дыроч­ной, а электронной проводимостью.



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.238.204.31 (0.016 с.)